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4 5 钢微动疲劳损伤及其寿命影响因素研究 摘要 微动疲劳损伤广泛存在于各种机械构件中，主要发生在两接触面且受交变载 荷作用的构件上，如螺栓，轴承，键槽和榫槽等。交变载荷引起的微动能促使疲 劳裂纹在接触面上早期萌生和加速扩展，最后导致构件在大大低于材料疲劳极 限，大大降低构件的疲劳寿命，甚至造成灾难性事故。 本文通过4 5 钢微动疲劳实验，对微动疲劳损伤机理及微动疲劳寿命影响因 素进行了探讨。首先对试样在微动疲劳损伤不同阶段的微动接触区表面形貌及磨 屑层进行了微观观察分析，结合摩擦系数等参数，研究了试样在微动疲劳损伤过 程中损伤形式的演变过程及其损伤机理。其次运用接触理论分析了接触表面的应 力分布及接触表面附近应力场，并根据试验微动接触副的几何结构和接触类型， 建立微动接触的有限元模型，采用该计算模型获得了接触表面的应力分布及接触 表面附近的应力场；结合相应接触参数分析了不同接触压力向交变轴载荷的极限 情况( 接触压力为1 2 0 m p a ，交变应力幅2 4 0 m p a ) ，获得交变载荷下微动接触的 切向摩擦力厂、相对滑移距离6 及最大拉伸载荷g t 等值，从而实现了微动接触 的数值分析。实验方面，自主设计带两个微动桥的微动试验装置，实现了控制不 同的垂直载荷，在轴向正弦交变载荷下可实现控制各种微动疲劳影响因素，如平 均接触压力p 、交变应力幅疋、切向摩擦力厂及相对滑移幅6 。最后得到五种不 同接触压力( 0 ，3 0 ，6 0 ，9 0 和1 2 0 m p a ) 与七种不同最大轴向交变应力幅( 1 2 0 ， 1 4 0 ，1 6 0 ，1 8 0 ，2 0 0 ，和2 4 0 m p a ) 下4 5 钢s 一曲线；结果表明试样疲劳寿命 随着平均接触压力p 增加而减小。对结果进行数值拟合，实现了曲线的公式 化。最后，通过微观观测对不同循环周次的试样表面观察，探讨了微动磨损过程 及机理：并根据试样断裂位置及断口方向，分析总结出微动疲劳微裂纹萌生位置 与扩展方向。其结果与基于r u i z 裂纹萌生准则参数的a n s y s 模拟结果一致。 在数值模拟结果与试验结果基础上，总结分析了微动疲劳损伤机理及寿命的 影响因素及原因。 关键词：微动疲劳损伤机理有限元分析微动桥接触幅数值标定 a b s t r a c t r e s e a r c ho nf r e t t i n gf a t i g u ed a m a g ea n d i t sf a t i g u el i f e i n f l u e n c ef a c t o r so f 4 5s t e e l a b s t r a c t f r e t t i n gf a t i g u ed a m a g el i e si nm a c h i n ec o m p o n e n t sw i d e l y , w h i c hi n t e r f a c e s m o s t l yb e a ra l t e r n a t el o a d ，s u c ha sb o l t s ，a x l e t r e e s ，s l o t sa n dt e n o r s t h ef r e t t i n gr e s u l t f r o ma l t e m a t el o a dm a k e sf a t i g u ec r a c k si n i t i a t i o ni ni n t e r f a c e sa n da c c e l e r a t e st h e i r p r o p a g a t i o n ，a n dr e s u l t si nc o m p o n e n t s f a i l u r eu n d e rt h ef a t i g u el i m i t so fm a t e r i a l t h ef a t i g u el i f ed e s c e n d sg r e a t l ya n dc a t a s t r o p h i ca c c i d e n t sm a ya r i s e i nt h i ss t u d y , t h ef r e t t i n gf a t i g u et e s to f4 5s t e e li se x e c u t e d ，t h ef r e t t i n gd a m a g e p r o c e s sa n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so nf r e t t i n gf a t i g u el i f ei se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d s y s t e m i c a l l y f i r s t l y , t h es u r f a c et o p o g r a p h yo fw o mz o n e s ，a n dt h ea b r a s i v ed u s t l a y e ra r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fm i c r o c o s m i co b s e r v a t i o na n a l y s i s t h ec h a n g eo f t h ef r e t t i n gw e a rp r o c e s sd u r i n gt h et e s ta n dt h ef r e t t i n gw e a rm e c h a n i s ma r e d i s c u s s e d s e c o n d l y , t h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s so nt h ec o n t a c ts u r f a c ea n dt h ef i e l d o ft h es t r e s su n d e rt h ec o n t a c ts u r f a c ea r ea n a l y z e d af i n i t ee l e m e n tm o d e li ss e tu p a c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r yc o n f i g u r a t i o n ，t h ec o n t a c tt y p ea n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s o ft h et e s tc o n t a c tm o d e l w i t ht h i sf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t h ec o n t a c ts t r e s so nc o n t a c t s u r f a c ei so b t a i n e db yn u m e r i c a lv a l u ec a l c u l a t i o n t h ef r i c t i o nf o r c eet h er e l a t i v e s l i p p a g e 6a n dt h em a x i m a lp u l ls t r e s so nt h ec o n t a c ts u r f a c e a t a r e g o t a c c o r d i n g l y , t h en u m e r i c a la n a l y s i so ff r e t t i n gc o n t a c ti sc o m et r u e at e s t e q u i p m e n tw i t ht w of r e t t i n gb r i d g e i s d e s i g n e da n dd e v e l o p e d t o i n d e p e n d e n t l yc o n t r o lt h ec o n t a c tp r e s s u r ep f r e t t i n gf a t i g u et e s t sa r ec o n d u c t e df o r f i v ev a l u e so fc o n t a c tp r e s s u r ea n ds e v e nv a l u e so fa x i a ls t r e s sr a n g es a t h es a n c u r v e sa r eg o t ；t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef r e t t i n gf a t i g u el i f ed e c r e a s e sa st h ec o n t a c t p r e s s u r ei n c r e a s e s t h e ya r en u m e r i c a l l ya n a l y z e da n df o r m u l i z e d f i n a l l y , t h es a m p l e s u r f a c e su n d e rd i f f e r e n t c y c l e s a r e i n v e s t i g a t e db y m i c r o c o s m i co b s e r v a t i o n ，t h ef a t i g u er u p t u r el o c a t i o na n dt h ec r a c kp r o p a g a t i o n o r i e n t a t i o na r ef o u n d ，a n dt h er e s u l t sa r ea g r e ew i t ht h eo n e so fa n s y ss i m u l a t i o n b a s e do nt h ec r a c k sp r o p a g a t i o nc r i t e r i o nr a i s e db yr u i z b a s e do nt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ha n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ef r e t t i n gw e a r m e c h a n i s ma n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so nf a t i g u el i f ea r em a d ec l e a ri nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：f r e t t i n gf a t i g u e w e a rm e c h a n i s m f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f r e t t i n gb r i d g e c o n t a c tt w i n s n u m e r i c a ld e m a r c a t i o n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：牙，永生 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 第一章绪 论 第一章绪论 1 1 选题背景、目标及研究意义 机械系统和工程设备服役于交变载荷或者机械振动下，导致构件接触表面之 间相对微小幅度的滑动，这种重复的滑动被称为微动，同时交变载荷和微动能促 使疲劳裂纹早期萌生和加速扩展，最后导致构件在大大低于材料疲劳极限，甚至 在低于材料弹性极限时失效，这一现象被称为微动疲劳n 1 。微动疲劳是指构件在 有微动磨损时的疲劳强度和疲劳寿命问题n 3 。它是考虑了微动磨损作用影响的构 件或材料的疲劳和断裂的有关理论和实践的科学。当构件中的两个不同部件互相 接触时，由于构件的高频、低幅振动或由于一个接触部件的循环载荷作用，接触 表面间将出现小幅相对滑动位移。此外，在工作状态下，由于温度波动，引起的 部件间热膨胀或热收缩的差异：或在有波动机械载荷的情况下，一个部件对另一 个部件的重复冲击，也可导致表面间的小幅接触。在室温条件下，这种接触金属 表面间的摩擦滑动促进氧化物碎片的形成，随后的表面损坏通常称为微动磨损。 当反复切向位移使疲劳极限降低并促进疲劳裂纹的形成和扩展时，所引起的损伤 称为微动疲劳瞳3 。微动疲劳主要发生在承受交变载荷的两构件连接处，交变载荷 在接触处产生微小的相对滑移( 3 0 0 t i m ) ，称为微动。微动疲劳现象在各种机械 构件中广泛存在，而且对疲劳寿命影响很大。表1 1 列出了一些微动疲劳失效的 实例n 叫5 1 微动疲劳会加速受微动作用构件的接触处表面及表层裂纹的萌生和扩 展，从而大大降低部件的疲劳寿命，甚至造成灾难性事故。这种情况主要发生在 螺栓连接和铆接接头及一些其他类似构件中，微动加速接触区的损坏过程导致构 件疲劳寿命大大减少。微动疲劳破坏是飞机、船舶、车辆、建筑、核能、化工及 海洋工程结构最主要失效形式。大量的航空机械构件都是由于这个原因导致失 效，微动疲劳引起飞机停飞或灾难事故常有报道，2 0 0 2 年台湾华航空难就是客 机尾部金属疲劳引起的。另外，美国航空公司对航空舰队预备的主要威胁之就 是机械构件的高周疲劳失效。近年的分布统计表明必须认识到高周疲劳失效的重 要性并进一步预防：从1 9 8 2 年到1 9 9 5 年，所有与引擎相关的高空事故6 2 是 浙江工业大学硕士学位论文 由于高周疲劳失效；因此，高周疲劳失效是a 类灾难的主要原因。而且，高周疲 劳失效统计表明其导致了严重的经济损失，联合攻击战斗指挥部对大量航空引擎 进行研究，研究高周疲劳对其寿命的影响。研究认为，假如高周疲劳相关失效能 被预防的话，那么2 7 年中航空公司和航海引擎维修方面能节省超过2 6 亿美元， 也就是每年高达一亿美元。另外，在美国航空公司的涡轮引擎上由于高周疲劳导 致的1 6 灾难都与机翼与盘连接处微动疲劳导致的损伤有关。对于这种失效，定 期常规的维修和检测是昂贵的。目前，为了补偿微动疲劳的影响，引入损伤因子 到保守设计和调节中来确保一个合理的服务寿命，损伤因子主要是使接触区域更 多部分设计避免高应力。然而，这些调整导致部分尺寸过大，降低了涡轮机的效 率，加重了自重。9 0 年代末，我省核电厂，微动疲劳引起反应堆内构件部分紧 固螺栓断裂，所幸发现及时，避免了一场灾难，停堆引起的经济损失却是巨大的。 因此，必须进一步认识微动疲劳的基本概念和原理，研究微动疲劳表面特征和微 动疲劳行为具有重大的实际意义。微动疲劳研究是跨学科的，包括摩擦学、磨损、 腐蚀、材料学和疲劳。总之，微动疲劳是各种现象的综合结果。微动疲劳的重要 过程包括：表面粘着，由于滑移导致的粘着边界破裂，磨屑的产生，磨屑和外露 金属氧化，裂纹成核和萌生。 由于微动疲劳问题和一般疲劳问题有一定的相似性，目前微动疲劳设计常套 用一般疲劳理论。一般问题的疲劳设计曲线是通过光滑表面试样的实验获得的， 疲劳设计时一般不考虑不可预见表面的损伤。微动疲劳问题中，由于构件之间的 接触和摩擦，结构存在表面落屑和表面磨痕等损伤，接触区存在奇异应力应变场， 这种情况下，套用一般疲劳的局限性非常明显，微动疲劳寿命不可能被有效地预 测。 因此非常有必要从细观结构入手，探索微动疲劳短裂纹的形成规律和在微观 结构短裂纹群体行为特征，建立一套微动疲劳行为预测理论或模拟方法指导工程 设计，避免因机械或结构失效而引起灾难性事故发生。已有的研究表明，对长寿 命的构件，微动疲劳会使其寿命降低3 0 以上，也有降低8 0 的例子。微动疲 劳现象的广泛存在性以及其危害的严重性使得微动疲劳研究受到各国普遍重 视美国、英国、原苏联、日本、加拿大以及欧洲的其它一些国家都积极进行了 微动损伤和微动疲劳方面的研究，并取得了一些成果，在国民经济中发挥了重大 第一章绪 论 的作用。我国对于微动损伤的研究工作起步较晚在我国七十年代才出现微动磨 损一词，并于八十年代末开始有了论述高分子材料和金属材料微动磨损研究成果 的专著发表。 近1 0 余年来，我国开展微动摩擦学实验研究的主要单位己有2 0 多个。随着 研究部门对微动损伤研究的重视以及研究投入力度的增加，我国在微动损伤研究 方面都取得了很大的进展，但是与国外的研究水平还是存在一定的差距，因此无 论从理论探讨还是工程应用方面，我国都需要继续深入开展微动损伤的研究。 在微动疲劳条件下，金属构件疲劳寿命显著下降。在微动疲劳的早期阶段裂 纹生长速率较高，导致了微动条件下金属结构和构件过早失效。因此，观察研究微 动疲劳裂纹的萌生和扩展行为具有重要的实际意义。并通过分析微动疲劳条件下 构件短裂纹萌生、扩展规律影响因素，提出适合工程上方便使用的预测各类疲劳 寿命问题的方法，以指导工程设计。 表1 1 微动疲劳失效的实例 危害的对象 微动疲劳失效的部位 地面发动机中驱动轴上涡轮盘的支座； 航空发动机上叶片与盘接触部位的榫齿或榫槽； 直升飞机燃气涡轮传动系统中盘斜面齿轮和驱动轴之 蒸汽或喷气涡轮发动机 间的法兰连接； 轴向开槽的涡轮发电机转子中，刚性补偿楔形物之间间 隙附近转子一齿接触面； 飞机机翼和机身机构中的构件和铆钉； 疲劳载荷结构中的连接 连接轴中的齿槽和键槽； 热压配合构件； 电力传输线； 电缆和绳索 缆车用绳索； 海洋环境中的钢缆和绳索； 汽车主轴轴承； 轴承 仪表轴承； 螺帽内侧和与骨头螺纹连接的基板中的埋头孔的断裂： 生物植入装置 盆骨替换件中的股骨杆的微动疲劳； 发电机组上叶片与盘接触部位的榫齿或榫槽： 火电和核能发电机组 核反应堆有关结构的微动磨损 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 微动疲劳研究的发展历程 机械构件中观察到磨损现象是微动损伤课题研究的直接起因，1 9 11 年e d e n 等人n 发表的名为金属的耐久性的关于研究金属旋转弯曲疲劳实验的文章中， 第一次详细地描述了微动损伤现象。他们发现在重负荷持续实验了几天后，夹持 部件严重锈蚀，试件常常难以从夹具中取出。虽然他们认为产生锈蚀主要是应力 在起作用，却完全把它看成一种腐蚀现象，这主要是磨屑颜色和铁锈相似所造成 的错觉。这种认识一直对后来的研究工作产生影响，也是微动腐蚀这个名词用的 非常普遍的一个原因。1 9 2 7 年t o m l i n s o n n 刀把微动腐蚀作为专题进行了认真的研 究。他设计了专门的设备，发表了一些研究心得。他认为，磨屑的产生主要是物 理作用，腐蚀是次要因素；发生微动损伤的条件是“表面必须紧紧地压在一起”、 “不停地来回滑动 。他提出的这两点，虽然当时没有条件深入研究和阐述，但 直到现在，仍然是公认的产生微动磨损的基本要素。他的研究成果最有意义的贡 献是，揭示了e d e n 等人所观察到的锈蚀，以及键联接的某种锈蚀，不是在静止 状态发生的，而是在接触表面有某种微小相对滑动情况下产生的。这就莫定了创 立微动损伤学科的基础，并使用了“f r e t t i n g ”( 微动) 一词。此后便有越来越 多的人从事这项研究。在二十世纪的三十年代末和四十年代初，微动疲劳的危害 逐渐被认识到并受到重视，同时还发现承受循环应力的部件，比受到单纯磨损造 成的危害更严重n 射。1 9 4 1 年w a r l o w - d a v i e s 的研究n 劬报导了往复滑动接触对循 环受载结构的有害影响。该研究认为，由于一些因素复杂的相互作用，微动引起 材料疲劳强度下降。由此，微动疲劳开始作为一个专题被提了出来，并且得到了 广泛的关注和研究。 五十年代开始，随着现代工业发展，工程中微动磨损的报导不断增多，研 究微动磨损的实验设备、方法，对机理的探讨以及各种材料抗微动磨损性能评价 的文章大量出现，控制微动损伤的方法不断增多。美国材料实验学会( a s t m ) 在 五十年代初出版了第一本关于微动磨损的文集心0 。，此后微动磨损逐步成为材料磨 损的一个分支，被公认为是一种特殊的磨损形式。 进入六、七十年代，微动疲劳得到了更深入的研究瞳，多种微动疲劳模型被 提了出来，同时接触力学、断裂力学以及有限元法等力学和数学方法被应用到微 动疲劳的研究中。由于微动疲劳常常造成关键性部件断裂，导致严重后果，它作 第一章绪论 为微动损伤的一个方面，它的研究报导开始超过了微动磨损。大量而深入的研究 工作主要是近十余年来进行的。随着先进的计算方法、先进的实验设备、先进的 制造工艺、先进的测试手段以及显微摄影技术等在微动损伤研究中的应用，并且 通过对前人大量研究工作的总结和归纳，人们对微动损伤的机理有了更加深入的 认识。1 9 9 2 年，w a t e r h o u s e 瞳2 1 发表了专著f r e t t i n gw e a r ：1 9 9 3 年， i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nf r e t t i n g f a t i g u e s 在英国召开：1 9 9 4 年， h il l s 和n o w e l l s 心钆2 朝发表了专著 m e c h a n i c so ff r e t t i n gf a t i g u e s 。这些比 较系统的研究成果的问世表明微动损伤的研究得到了更广泛的关注和更加系统 的发展，进入了一个新的阶段。 九十年代以来，随着高能束处理等先进制造技术的发展和应用，如何采用先 进的制造技术提高材料的抗微动疲劳性能，已经成为微动疲劳损伤防护技术研究 的一个重要课题。因此对先进制造技术抗微动损伤机理的研究，受到了越来越多 的重视。 1 3 有关微动疲劳方面国内外研究现状 1 3 1 微动疲劳强度和寿命的计算方法方面 在过去几十年，有许多学者从宏观上对微动疲劳进行了大量的研究瞳铲2 9 1 。在 微动疲劳强度和寿命的计算方法方面，日本的n i s h i o k a 呻1 用实验的方法提出了 微动疲劳强度的定量公式，该式把握了影响微动疲劳过程的主要因子：摩擦系数、 接触压力和滑移振幅，因而被广为引用，但该式与一些普通疲劳极限较高的材料 所表现出的微动疲劳现象不太相符。由于微动裂纹是在多轴应力场中萌生的， s a t o 瞳铂根据最大剪应力准则来校核微动疲劳强度，所得的计算值与试验值较为接 近；还有r u i z 等人提出可用微动疲劳损伤因子( f f d p ) 来评价损伤的程度等。 s z o l w i n s k i 等瞳8 1 在实验的基础上修正了常规疲劳寿命计算式b a s q u i n 公式 c o f f i n - m a n s o n 公式，提出了在定量分析微动疲劳寿命的模型，表明微动疲劳裂 纹的形成和短裂纹的扩展将消耗掉总体寿命的大部分，b a s q u i n 公式 c o f f i n m a n s o n 公式是建立在表面光滑试样棒拉压试验基础上的，应用于微动疲 劳有很大的局限性。h ill s 瞳钔回顾微动疲劳研究历史，认为目前就相对滑移振幅、 接触压力、材料性能、摩擦系数及表面状况等因素对微动疲劳特性的影响已有了 浙江工业大学硕士学位论文 一定的认识，微动疲劳裂纹萌生过程涉及到大量相互作用的机械现象，在理论方 面对许多问题的认识仍有待深化，对若干个影响微动疲劳参数的研究，较难准确 完整地描述微动疲劳行为。 1 3 2 应用断裂力学方法估算微动疲劳寿命 在上世纪8 0 年代后期，应用断裂力学方法估算微动疲劳寿命己取得一定的 进展。目前大多数的裂纹萌生模型也都是基于应力场和表面滑移幅分析而建立的 经验或半经验模型，h i l l s 口嵋的模型则是将预测裂纹成核的持久滑移带概念与局 部微突体水平相关联，在晶相量级上对成核过程作了物理假设。d a n g 等2 1 提出 了未涉及微动接触问题的广义的疲劳极限准则。r o o k e 和j o n e n 3 1 根据微动区内的 多轴应力对微动裂纹尖端的应力强度因子进行计算，g i a n n a k o u p o u l o s 等n 们用断 裂力学的方法提出了物理疲劳短裂纹( p s d ) 扩展的应力强度因子幅的门槛值概 念。t h a t t o r i 等口卯采用奇异应力场和断裂力学方法预测微动疲劳寿命，认为p s d 寿命可以用应力强度因子幅来估算。 1 3 3 微动疲劳行为与寿命影响因素方面 在微动疲劳行为与寿命影响因素方面，在过去的5 0 年中，微动疲劳行为与 寿命影响因素方面研究取得了一定的进步。d o b r o m i r s k i 汹1 报道有高达5 0 种因素 影响微动疲劳过程。然而，近来的研究口l3 羽表示，应该集中注意以下重要影响因 素：接触压力p ：滑移幅值万：滑移体之间的摩擦系数i ；局部拉伸应 力幅a g ，。，；接触面的切向剪应力幅4 f ，。，；循环频率厂：微动循环周次。 实验数据表明几个影响因素之间有很强的联系。例如，在微动实验曲饥删中的 摩擦系数变化导致滑动幅值变化。接触压力p 影响么仃胁，4 r ，和占。上述 相互关系表明应该系统研究各个因素对微动疲劳的影响。a d i b n a z a r i 和 h o e p p n e r h 2 1 研究了t 6 条件下垂直载荷对7 0 7 5 钢和钛合金t i - 6 a 1 - 4 v 微动疲劳行 为影响。他们介绍了压力门槛值概念，即当某一垂直压力在压力门槛值之上时， 微动疲劳不受压力的影响。他们得到微动疲劳寿命随着接触压力提高而单调下 降，在高压力时保持一恒定值，摩擦力随接触压力提高而单调地上升，同时也研 究了其他因素的影响；v i n g s b o 和s i j d e r b e r g n 3 3 研究了相对位移和剪切载荷对 浙江工业大学硕士学位论文 一定的认识，微动疲劳裂纹萌生过程涉及到大量相互作用的机械现象，在理论方 面对许多问题的认识仍有待深化，对若干个影响微动疲劳参数的研究，较难准确 完整地描述微动疲劳行为。 1 3 2 应用断裂力学方法估算微动疲劳寿命 在上世纪8 0 年代后期，应用断裂力学方法估算微动疲劳寿命已取得一定的 进展。目前大多数的裂纹萌生模型也都是基于应力场和表面滑移幅分析而建立的 经验或半经验模型，h i l l s ”“的模型则是将预测裂纹成核的持久滑移带概念与局 部微突体水平相关联，在晶相量级上对成核过程作了物理假设。d a n g 等“提出 了未涉及微动接触问题的广义的疲劳极限准则。r o o k e 和j o n e 根据微动区内的 多轴应力对微动裂纹尖端的应力强度因子进行计算，g i a n n a k o u p o u l o s 等”用断 裂力学的方法提出了物理疲劳短裂纹( p s d ) 扩展的应力强度因子幅的门槛值概 念。t h a t t o r i 等“”采用奇异应力场和断裂力学方法预测微动疲劳寿命，认为p s d 寿命可以用应力强度因子幅来估算。 i 3 3 微动疲劳行为与寿命影响因素方面 在微动疲劳行为与寿命影响因素方面，在过去的5 0 年中，微动疲劳行为与 寿命影响因素方面研究取得了一定的进步。d o b r o m i r s k i t m j 报道有高达5 0 种因素 影响微动疲劳过程。然而，近来的研究”表示，应该集中注意以下重要影响因 素：接触压力p ；滑移幅值占：滑移体之间的摩擦系数：局部拉伸应 力幅4 a 。，；接触面的切向剪应力幅a t 。；循环频率，：微动循环周次。 实验数据表明几个影响因素之间有很强的联系。例如，在微动实验。”中的 摩擦系数变化导致滑动幅值变化“。接触压力p 影响4 口。，d r 。m ，和占。上述 相互关系表明应该系统研究各个因素对微动疲劳的影响。k d i b n a z a r i 和 h o e p p n e r “”研究了t 6 条件下垂直载荷对7 0 7 5 钼和钛合金t i 一6 a 一4 v 微动疲劳行 为影响。他们介绍了压力门槛值概念，即当某一垂直压力在压力门槛值之上时， 微动疲劳不受压力的影响。他们得到微动疲劳寿命随着接触压力提高而单调下 降，在高乐力时保持一恒定值，摩擦力随接触压力提高而单调地h 升，同时也研 究了其他因素的影响：v i n g s b o 和s i j d e r b e r g 。”研究了相对位移和剪切载荷对 究了其他因素的影响；v i n g s b o 和s i j d e r b e r g 。”研究了相对位移和剪切载荷对 第一章绪论 微动疲劳行为的影响，并引入微动图来描述微动区域。s o d e r b e r g 等研究了频 率对两种材料的微动磨损影响，一种是a i s l l 0 1 8 ，一种是3 0 4 奥氏体不锈钢。通 过金相分析表明频率的提高将加速微动疲劳和微动腐蚀。这主要是因为表面温度 和应变率升高的缘故。i y e r 和m a l l 4 s 的论文也支持这一观点。他们研究了频率 对钛合金t i - 6 h l 一4 v 材料微动疲劳寿命的影响。频率从1 到2 0 0h z ，频率升高 导致了微动疲劳寿命下降。这种趋势在低应力阶段更明显。 a n t o n 口蚰等研究了滑移幅对微动疲劳行为的影响，他们定义一个微动损坏因 子来量化材料的疲劳抗力： ，n ，、 脚k 1 一i 篙i ( 1 1 ) loo 。 k _ d f ，刈次循环时的疲劳破坏因子 盯矿，一n 次循环时的平均微动疲劳强度。 ，一n 次循环时平均普通疲劳强度 微动破坏因子是用来给微动疲劳失效提供一个安全设计余量的设计因子。发 现由方程1 1 定义的k d f 随着滑移幅增加( 从2 5 到7 5 o n ) 而上升。同时，摩 擦系数也随滑移幅提高而增加。在这个研究中k d f 与接触压力无关。 j i n 和m a l l n 也研究了滑移幅对钛合金t i - 6 a 1 - 4 v 微动疲劳行为的影响。他 们发现在滑移幅为5 0 和6 0 朋阶段微动疲劳寿命最小，随后寿命随滑移幅提高 而增加。在这个研究中还得到疲劳寿命与滑移幅的关系与接触压力无关。 n o w e llh 6 3 等研究了接触区宽度的影响。通过单独改变垂直载荷和微动垫的半 径来改变峰值接触压力和接触尺寸。试验表明接触宽度越大，微动疲劳寿命越短。 以上研究都在常温下进行的，但是高温下t i - 6 a 1 4 v 微动疲劳寿命轻微减小 与其它研究结果不一致。例如，b i l l n 7 1 研究镍铬铝合金发现微动磨损在2 3 5 4 0 范围内显著下降。这一特性是由于在高温下产生一层厚的氧化膜，氧化膜起保 护性的覆盖作用，阻止金属与金属直接接触，这样就减少了磨损。h u r r i kn 羽的 著作也证明了这一特性，它发现在氧化性氛围中，对于低硬度钢，高温明显减少 其微动磨损。s w i t e k 研究了载荷循环周次对微动疲劳中摩擦系数的影响。结果 阐明了在空气和氩气中s a e1 0 4 0 的摩擦系数随载荷循环次数变化关系。在空气 浙江工业大学硕二卜学位论文 中，摩擦系数提高5 ，然而在氩气中，下降超过3 0 。因此，氩气中的摩擦系数 比空气中约低4 0 ，并没有出现空气中存在的腐蚀，如红色的末。微动疲劳研究 的另一个方面就是裂纹萌生模型的发展。存在的问题是怎样来量化裂纹萌生。所 以，认为裂纹不是以单独的事件，而是损伤逐渐和连续积累导致可见的裂纹。这 样，应该叫做裂纹成核过程而不是裂纹萌生。 1 3 4 裂纹萌生条件及预测标准 有几个研究提出经验公式来量化材料的微动疲劳寿命。如e l k h o l y 们就工程 材料微动疲劳强度提出方程1 2 ，模型假设一圆柱形微动垫与平面接触，材料普 通疲劳强度与微动疲劳强度之差仃尼可由式1 2 得到： 詈却卜喙) 2 ， 其中：盯r 是材料普通疲劳强度与微动疲劳强度之差，j “是摩擦系数，r 是接触 压力，u 是滑移幅，2 a 是接触区域宽度。 n i s h i o k a 咖1 等提出了类似的方程，他们描述交变应力导致圆柱形微动垫与试 样平面接触的微动条件下疲劳裂纹萌生，由方程1 3 获得微动疲劳强度o ，： 旷旷2 峨f 3 ， 其中：盯，一微动疲劳强度，仃盯一普通疲劳强度，一摩擦系数，p o 一接触压 力，6 一滑移幅，尼一常数。这些模型的局限性是忽略了诸如剪切载荷和频率等 的相关变化。 r u i z 畸门等提出两个经验参数来描述微动损伤。这些参数是基于表面损伤程度 与接触区域的滑移和剪切拉力成比例这一事实基础上的。第一个参数k 等于表 面剪切应力t 与表面上这点的相对滑移位移6 的乘积，表示如方程1 4 。这个参 数表征了关系到产生的表面损伤量的单位面积摩擦力做的功。r u i z 还提出表面 损伤本身不是产生微动疲劳裂纹的必要条件。因为要产生裂纹源，还需要平行于 自由表面的拉伸。第二个参数k ，( 如方程1 5 ) 考虑了平行作用于自由表面的 第一章绪 论 最大拉应力仃丁和摩擦功t 6 。 k l = 百6 ( 1 4 ) k 2 = k l o - r ( 1 5 ) r u i z 参数可用来预测各种微动疲劳结构裂纹萌生。 l y k i n s 嵋2 3 等研究了几个裂纹萌生预测标准，并把它们分为三个主要类别，应 变萌生，临界平面萌生和微动疲劳专门标准。研究几个裂纹萌生标准并得到接触 面上最大滑移幅是微动疲劳萌生标准的必要参数。l y k i n s 也研究了不同疲劳参 数。发现临界平面剪切应力幅参数能用来预测裂纹萌生的循环周次和裂纹萌生位 置。用有限元方法来决定平面和最大剪切应力幅么f 。m 。在不同应变比下得到经 验数据，w a l k e r 喳3 3 转换方法用来整理不同剪切应力比r ，= _ 1 1 1 i 。r 。下的数据成一 条曲线。用方程1 9 来计算平面角度从一9 0 。臼9 0 。的剪切应力幅。 r = 一! 二l 三二2 l s i n ( 2 臼) + r 砂c 。s ( 2 p ) ( 1 9 ) 通过剪切应力比来校准剪切应力幅，结果校核参数由下列方程表示： y c r i t = 导( 1 - _ r ，) ” ( 1 1 0 ) u l y k i n s 报道了临界剪切应力幅疲劳参数满足预测裂纹萌生需要的条件。 虽然，对微动疲劳行为和寿命的影响因素的研究在近年取得了进展，但是， 各种材料的微动行为不尽相同；由于材料本身性能的差别，导致其微动磨损过程 与微动疲劳行为及其寿命的因素不同。在平面与平面的复杂接触条件和复杂应力 应变场内的微动磨损及寿命的影响因素报道较少。为了预测微动疲劳寿命，必 须了解微动磨损过程及微动疲劳行为和寿命影响因素，进一步寻找磨损与裂纹萌 生和扩展的关系，是一项非常有工程价值的研究工作。 1 4 本文的主要研究工作 从以上的分析和总结出发，本文将从以下几方面展开研究工作。 浙江工业大学硕二匕学位论文 1 4 1 微动疲劳损伤的理论研究 微动疲劳损伤是唯一同时涉及到粘着、磨料、氧化和疲劳这四种基本磨损机 理的特殊损伤形式，这四种作用的叠加和相互影响造成了其损伤机理的复杂性。 本文将分析微动疲劳损伤的各影响因素如垂直接触压力p ，轴向应力6 r ，相对 滑移幅6 ，接触摩擦力厂等，研究这些因素影响构件微动疲劳寿命的机理，并通 过对比各因素对构件微动疲劳寿命的影响程度，指出控制微动疲劳损伤的重点。 1 4 2 设计并进行微动疲劳实验，探讨微动疲劳损伤机理 确定微动疲劳实验方法，设计微动疲劳实验装置。以4 5 中碳结构钢为研究 对象，进行微动疲劳实验。通过采用金相显微硬度仪( h w v i t ) 来观察试样在微 动疲劳损伤不同阶段的微动损伤区表面形貌、损伤区表面以及磨屑层等对象进行 观察分析，并结合摩擦系数等参数，对试样在微动疲劳损伤过程中的损伤形式的 演变过程及其损伤机理进行研究。 1 4 3 建立微动疲劳损伤的有限元计算模型并进行计算分析 在进行微动疲劳实验的基础上，进行微动接触副的静态接触力学、滑动接触 疲劳力学分析。通过计算微动副体内的应力场和位移场，确定微动接触副的工作 状态，从而可以更加准确地分析实验现象和实验结果，简化研究工作。微动疲劳 损伤在力学上属于接触问题。而接触问题属于边界条件非线性问题，是一种高度 非线性行为。在接触问题中，接触边界不是在计算前就可给出，而是计算的结果。 两接触体间接触与否，接触面积的大小以及接触压力的分布是未知的，随外载荷、 材料、边界条件和其它因素决定。并且大多数的接触问题需要计算摩擦力，要选 择摩擦模型，这些模型都是非线性的，摩擦使问题的收敛变得更困难了。在接触 问题研究方面，有限元法是强有力的工具。本文将以a n s y s 有限元分析软件为工 具，通过对实验接触副的工作状态进行分析，建立该微动接触副的有限元计算模 型，并采用该模型，对试件在实验条件下的应力状态进行计算分析。 1 4 4 总结规律 总结微动疲劳影响因素及影响规律，为选择和制定微动疲劳损伤防护对策提 供指导和依据，通过进行上述理论分析和实验工作，归纳微动疲劳损伤的影响因 第一章绪论 素。 1 5 论文研究目标： 本论文中，研究了垂直载荷、切向摩擦力及相对滑移幅等对4 5 钢微动疲劳 行为与寿命影响。设计加工了一个带两个微动垫的实验装置。以前类似的执行机 构被采用过，但是没有尝试过使用平面与平面接触来研究微动疲劳行为及本加载 控制方法和研究各种载荷对4 5 钢疲劳寿命的影响。这篇论文要解决下列问题： 1 、裂纹萌生位置及方向的确定 分析试验前和断裂后表面的微观特征，探索微动疲劳条件下裂纹萌生位置、 方向等；并通过有限元法及相关理论预测裂纹萌生位置及方向，与实验结果比较： 2 、交变载荷下的微动系统有限元模拟 尝试交变载荷下的微动系统有限元模拟，在有限元中确定各种微动条件及载 荷，并处理微动接触内相关物理量之间的关系，然后用来判断接触特性； 3 、得到不同载荷( 垂直和轴向载荷) 下4 5 钢的s n 曲线，并通过数值方法拟合 出相应的数学表达式，可用来指导工程运用； 4 、分析各种微动疲劳行为影响因素与微动疲劳寿命关系，并分析其原因。 第二章微动损伤机理探讨 第二章微动损伤机理探讨 微动通常包括表面磨损和疲劳裂纹扩展，要合理预测微动疲劳寿命，必须先 对影响微动疲劳寿命的各种因素有较深刻认识。其中表面磨损是影响微动疲劳寿 命的一个重要原因，为了探索微动损伤的机理，对材料脱离母体及氧化磨屑的形 成过程、表面形貌变化以及疲劳裂纹的萌生和扩展过程等，各国学者已进行了大 量的工作，提出了各种试验模型，但迄今尚无一个公认能解释所有实验现象的理 论主要原因是影响微动损伤的因素很多，而微动过程中两个表面始终保持原位 接触，又给动态观察增加了困难。微动磨损是一种包括粘着、磨料、氧化和疲劳 四种基本损伤的复杂过程，影响每个过程的因素也很多，包括试验设备、环境和 各种人为因素在内。主要理论还只是满足解释部分试验现象，没有统一能合适所 有现象的完善理论。 2 1 微动损伤的相关概念 微动( f r e t t i n g ) ：机械系统和工程设备服役于交变载荷或者机械振动下，导 致构件接触表面之间相对微小幅度的滑动，这种重复的滑动被称为微动。 微动疲劳：交变载荷和微动能促使疲劳裂纹早期萌生和加速扩展，最后导致 构件在大大低于材料疲劳极限，甚至在低于材料弹性极限时失效，这一现象被称 为微动疲劳。 微动磨损( f r e t t i n gw e a r ) ：是指两个相接触的构件，其相接触的两个表面 之间由于所存在很小的、反复的相对滑动，造成构件接触表面的机械损伤。己经 知道，只要有十分之一微米的表面相对滑动距离，就可以造成表而的微动损伤， 这也是微动损伤一词的由来。 微动裂纹：在微动磨损过程中由于局部接触载荷引起的裂纹萌生与扩展。 2 2 微动损伤的特点 微动是二体之间的相对滑动，但是与普通相对滑动磨损有本质区别： ( 1 ) 由于微动的滑动幅值小，所以相对滑动速度也较小，决定了微动的机 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 械损伤小。假设微动幅值为2 5 9 m ，振动频率1 5 h z ，滑动速率才0 9 m m 。 ( 2 ) 滑动幅值小，接触区域分为粘着区、混合区和滑动区。这样磨屑难以 溢出，所以磨屑对微动过程有较大影响。 ( 3 ) 微动的二体处于高应力状态，表面和亚表面的变形及微裂纹的形成也 比一般相对滑动严重的多。所以纯粹从滑动磨损这个角度来看，微动磨损只相当 轻微的损伤。但是微动损伤集中在较小面积上，所以损伤不总是轻微的。另外， 在萌生疲劳裂纹方面比普通滑动容易的多。 2 1 1 微动现象分析方法 随着各种先进设备和手段的产生，微动现象的分析方法也不断更新。目前主 要分析设备：各种传感器( 力、位移、温度、声发器等) 、显微硬度计、显微分 析手段( 光学显微镜、电子显微镜、能普仪等) 各种表面形貌仪( 接触式和非接 触式形貌仪) 和显微摄像跟踪系统等； 分析方法主要有以下几种： ( 1 ) 微动过程中动力变化( 力、位移与时间的关系) ： ( 2 ) 微动损伤的破坏过程( 接触表面形貌、磨损率和磨损量、裂纹尺寸、 变形等) ； ( 3 ) 第三体( 磨屑，包括氧化磨屑) 的尺寸及化学成分； ( 4 ) 接触表面的温度变化； ( 5 ) 接触表面的